CN113935126B - 一种磁悬浮风机工作效率优化方法 - Google Patents

一种磁悬浮风机工作效率优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁悬浮风机工作效率优化方法，首先使用CFD测算磁悬浮风机在额定转速Nset下，不同叶轮间隙下，最小的工作流量Q以及对应的叶轮压力P；建立三维坐标系，将每组间隙C、流量Q和叶轮压力P在三维坐标系标定，根据标定的点进行拟合，得到在额定转速下，叶轮间隙C与压力P、流量Q的线性回归方程，将线性回归方程扩展到全转速范围内的通用方程，计算出对应工况下效率最佳的理论叶轮间隙值，由控制器配合位移传感器进行叶轮间隙的调整，以实现能够实施依据压力与流量信号变化改变叶轮的周向悬浮位置，在不发生喘振的前提下，获得最优的工作效率。

Description

一种磁悬浮风机工作效率优化方法
技术领域
本发明涉及技术磁悬浮风机技术领域，具体涉及一种磁悬浮风机工作效率优化方法。
背景技术
离心压缩机效率的高低直接影响经济效益，叶轮设计时通常希望获得较高的效率与较宽的工作范围。叶轮间隙对效率及喘振裕度均有较大影响，传统风机在叶轮间隙值的选取上，通常选取一个适中值使得其获得效率与喘振裕度相对较好的表现。
传统磁悬浮推力轴承通常在工作中运转间隙保持不变，未能发挥其适应不同工况下改变间隙的优势，在磁悬浮风机工况发生变化时，不能及时调整叶轮间隙，喘振裕度范围窄，风机的效率受到限制，造成多余的能源损耗。
发明内容
技术目的：针对现有磁悬浮风机在工况变化时，工作效率降低，工作范围恒定的不足，本发明公开了一种能够随工况对应进行叶轮间隙调整，提高工作效率，拓宽工作范围的磁悬浮风机工作效率优化方法。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：
一种磁悬浮风机工作效率优化方法，包括步骤：
S01、首先使用计算流体力学CFD测算磁悬浮风机在额定转速Nset下，不同叶轮间隙下，最小的工作流量Q以及对应的叶轮压力P；
S02、建立三维坐标系，将每组间隙C、流量Q和叶轮压力P在三维坐标系标定，根据标定的点进行拟合，得到在额定转速下，叶轮间隙C与压力P、流量Q的线性回归方程C＝a*Q+b*P+c，其中a、b、c均为常数；
S03、依据叶轮转速n和流量Q、压力P之间的关系，将标准转速下的线性回归方程换算为全转速范围内的通用方程：
Figure BDA0003256676540000011
其中，n表示当前叶轮转速，Cmin表示磁悬浮风机允许的最小叶轮间隙,tset为测试条件温度，t为运转过程温度；
S04、在磁悬浮风机运行时，测定磁悬浮风机的流量和压力信号，依据全转速范围内的方程，计算磁悬浮风机工作所需的最小叶轮间隙，通过磁悬浮推力轴承进行调整。
优选地，所述步骤S04中，通过磁悬浮推力轴承进行叶轮间隙的调整，包括步骤：
S04A1、首选计算当前工况下的最小叶轮间隙；
S04A2、控制器以当前叶轮的位置作为基准计算叶轮的位移量和移动方向；
S04A3、在磁悬浮风机上设置检测风机叶轮位移的位移传感器，位移传感器将检测到的叶轮位移信号反馈至控制器，控制器增大或者减小磁悬浮推力轴承的电流，将叶轮间隙调整到位，以当前的叶轮位置作为下一次调整的位移传感器的起始点。
优选地，在所述步骤S04中，控制器依据计算的最小叶轮间隙，计算叶轮的位移量和移动方向后，依据磁吸力F等于转子重力G与气动轴向力T之和，将位移量换算成需要调整的控制电流i，由控制器直接将电流调整到位。
优选地，电流的调整过程包括步骤：
S04B1、先获取当前悬浮状态下，磁悬浮推力轴承上、下绕组的电流；
S04B2、依据需要调整的叶轮间隙C以及磁悬浮推力轴承平衡，计算控制电流i，调整磁悬浮推力轴承上、下绕组的电流，将叶轮间隙调整到位。
优选地，在步骤S04B2中，F1-F2＝G+T,
Figure BDA0003256676540000021
Figure BDA0003256676540000022
其中，F1为磁悬浮推力轴承上绕组线圈引力，F2为磁悬浮推力轴承下绕组线圈引力；μ0为真空磁导率，S0为磁极表面投影面积，N0为线圈匝数， I0为控制器偏置电流，α为力的作用角度，D为磁轴承安装总间隙,
Figure BDA0003256676540000023
Pset为风机额定压力，Tset为额定压力下测得的气动轴向力，M为叶轮间隙调整时转轴与磁轴承绕组的间隙变化值，I0为控制器偏置电流，计算出控制电流i，得到绕组的目标电流 I0+i和I0-i。
优选地，控制器将磁轴承绕组的电流与控制电流i的差值进行均分，按照固定的时间间隔对磁悬浮推力轴承的上、下绕组电流分级进行调整。
有益效果：本发明所提供的一种磁悬浮风机工作效率优化方法具有如下有益效果：
1、本发明利用CFD模拟计算得到额定转速下叶轮间隙与压力、流量的关系，并拓展到全转速范围，得到不同转速下，压力、流量工况下，磁悬浮风机工作的最佳叶轮间隙，并通过控制器进行叶轮间隙调整，使风机保持最佳的工作效率，降低能源损耗。
2、本发明通过位移传感器检测叶轮的位移量，配合控制器逐步增大或者减小磁悬浮推力轴承线圈的电流进行叶轮间隙调整，精确度高，实施进行信息反馈。
3、本发明通过叶轮间隙调整所需的位移量直接计算需要调整到的电流值，执行迅速，不需要逐步进行调整，能够快速适应工况变化，并且可以依据调整的电流幅值范围，进行分级调整，降低对磁悬浮风机造成的波动。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。
图1为本发明叶轮间隙调整流程图；
图2为本发明磁悬浮推力轴承电流调整原理图；
具体实施方式
下面通过一较佳实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
本发明提供一种磁悬浮风机工作效率优化方法，包括步骤：
S01、首先使用计算流体力学CFD测算磁悬浮风机在额定转速Nset下，不同叶轮间隙下，最小的工作流量Q以及对应的叶轮压力P；
S02、建立三维坐标系，将每组间隙C、流量Q和叶轮压力P在三维坐标系标定，根据标定的点进行拟合，得到在额定转速下，叶轮间隙C与压力P、流量Q的线性回归方程C＝a*Q+b*P+c，其中a、b、c均为常数；
S03、依据叶轮转速n和流量Q、压力P之间的关系，将标准转速下的线性回归方程换算为全转速范围内的通用方程：
Figure BDA0003256676540000031
其中，n表示当前叶轮转速，Cmin表示磁悬浮风机允许的最小叶轮间隙,tset为测试条件温度，t为运转过程温度。
S04、在磁悬浮风机运行时，测定磁悬浮风机的流量和压力信号，依据全转速范围内的方程，计算磁悬浮风机工作所需的最小叶轮间隙，通过磁悬浮推力轴承进行调整。
对于步骤S04中，通过磁悬浮推力轴承调整叶轮间隙，本发明提供两种方式，方式A包括步骤：
S04A1、首选计算当前工况下的最小叶轮间隙；
S04A2、控制器以当前叶轮的位置作为基准计算叶轮的位移量和移动方向；
S04A3、在磁悬浮风机上设置检测风机叶轮位移的位移传感器，位移传感器将检测到的叶轮位移信号反馈至控制器，控制器增大或者减小磁悬浮推力轴承的电流，将叶轮间隙调整到位，以当前的叶轮位置作为下一次调整的位移传感器的起始点。
在方式A中，利用磁悬浮风机上的位移传感器进行叶轮移动距离的测量，实时反馈至控制器，控制器逐步增大或者减小磁悬浮推力轴承上、下绕组的电流，同步调整吸力大小，对叶轮间隙逐步进行调整，此方式，调整精度高，能够适应磁悬浮风机的工况变化，在产生形变等过程中，不会对调整结果造成影响。
另一种调整方式B，控制器依据计算的最小叶轮间隙，计算叶轮的位移量和移动方向后，依据磁吸力F等于转子重力G与气动轴向力T之和，将位移量换算成需要调整的电流i，由控制器直接将电流调整到位，直接利用磁悬浮的平衡原理，计算出需要调整的电流，可以快速进行调整，以免在工况发生变化时，因为不能够及时迅速的调整，对设备自身造成损伤，调整步骤包括：
S04B1、先计算轴承悬浮在中心位置的偏置电流I0；
S04B2、依据需要调整的叶轮间隙C以及磁悬浮推力轴承平衡，计算电流i，调整磁悬浮推力轴承上、下绕组的电流，将叶轮间隙调整到位。
磁吸力
Figure BDA0003256676540000041
δ表示轴与磁悬浮推力轴承上下绕组间的间隙，在轴承悬浮在中心位置时，
Figure BDA0003256676540000042
其中μ0为真空磁导率，S0为磁极表面投影面积，N0为线圈匝数，α为力的作用角度，D为磁轴承安装总间隙，i为控制电流，I0为控制器偏置电流。
在进行间隙调整时，先依据控制器计算的叶轮间隙C推出叶轮间隙调整时转轴与磁轴承绕组的间隙变化值M，M为叶轮间隙变化差值的一半；那么对应的磁悬浮推力轴承上绕组的磁吸力
Figure BDA0003256676540000043
磁悬浮推力轴承下绕组的磁吸力
Figure BDA0003256676540000051
利用力的平衡原理F1-F2＝G+T，
Figure BDA0003256676540000052
Pset为风机额定压力，Tset为额定压力下测得的气动轴向力，令
Figure BDA0003256676540000053
Figure BDA0003256676540000054
Figure BDA0003256676540000055
则磁轴承上绕组的目标电流为I0+i，下绕组的目标电流为I0-i；控制器依据当前目标电流与当前电流的差值，进行分级调整，避免电流突变造成设备损坏。
本发明还可以结合方式A和方式B，依据叶轮间隙的调整幅度大小，在幅值较小时，直接使用方式A进行调整，在幅值较大时，先使用方式B快速将电流调整至所需电流附近位置，然后使用方式A进行精确调整，使用灵活，精确度高，能够依据工况快速调整叶轮间隙，使设备始终保持最佳工作效率。
如图1和图2所示，本发明在使用时，将得到的全转速范围通用方程预录入控制器内，磁悬浮风机叶轮处的压力信号和流量信号实时传输至控制器，由控制器自动进行当前工况下的叶轮间隙计算，并判断间隙变化幅值大小，幅值较小时，将叶轮需要进行的轴向位移信号传输至位移传感器，通过位移传感器监测叶轮的位移x，控制器依据叶轮位移的方向，输出控制电压信号至功率放大器，功率放大器将输入的控制电压信号转换成绕组的控制电流，产生相应的控制电磁力，对叶轮浮动位置进行调整，以保证叶轮间隙达到要求。
当幅值较大时，控制器先依据工况计算叶轮间隙，同时位移传感器进行叶轮位移x的监测，然后算出对应的控制电流与需要调整的目标电流，依据当前电流与目标电流的差值，分级进行电流调整，在靠近目标电流后，配合位移传感器进行微调。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种磁悬浮风机工作效率优化方法，其特征在于，包括步骤：
S01、首先使用计算流体力学CFD测算磁悬浮风机在额定转速Nset下，不同叶轮间隙下，最小的工作流量Q以及对应的叶轮压力P；
S02、建立三维坐标系，将每组间隙C、流量Q和叶轮压力P在三维坐标系标定，根据标定的点进行拟合，得到在额定转速下，叶轮间隙C与压力P、流量Q的线性回归方程C＝a*Q+b*P+c，其中a、b、c均为常数；
S03、依据叶轮转速n和流量Q、压力P之间的关系，将标准转速下的线性回归方程换算为全转速范围内的通用方程：
Figure FDA0004002540170000011
其中，n表示当前叶轮转速，Cmin表示磁悬浮风机允许的最小叶轮间隙,tset为测试条件温度，t为运转过程温度；
S04、在磁悬浮风机运行时，测定磁悬浮风机的流量和压力信号，依据全转速范围内的方程，计算磁悬浮风机工作所需的最小叶轮间隙，通过磁悬浮推力轴承进行调整；
所述步骤S04中，通过磁悬浮推力轴承进行叶轮间隙的调整，包括步骤：
S04A1、首选计算当前工况下的最小叶轮间隙；
S04A2、控制器以当前叶轮的位置作为基准计算叶轮的位移量和移动方向；
S04A3、在磁悬浮风机上设置检测风机叶轮位移的位移传感器，位移传感器将检测到的叶轮位移信号反馈至控制器，控制器增大或者减小磁悬浮推力轴承的电流，将叶轮间隙调整到位，以当前的叶轮位置作为下一次调整的位移传感器的起始点。
2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮风机工作效率优化方法，其特征在于，在所述步骤S04中，控制器依据计算的最小叶轮间隙，计算叶轮的位移量和移动方向后，依据磁吸力F等于转子重力G与气动轴向力T之和，将位移量换算成需要调整的控制电流i，由控制器直接将电流调整到位。
3.根据权利要求2所述的一种磁悬浮风机工作效率优化方法，其特征在于，电流的调整过程包括步骤：
S04B1、先获取当前悬浮状态下，磁悬浮推力轴承上、下绕组的控制电流；
S04B2、依据需要调整的叶轮间隙C以及磁悬浮推力轴承平衡，计算控制电流i，调整磁悬浮推力轴承上、下绕组的电流，将叶轮间隙调整到位。
4.根据权利要求3所述的一种磁悬浮风机工作效率优化方法，其特征在于，在步骤S04B2中，F1-F2＝G+T,
Figure FDA0004002540170000021
其中，F1为磁悬浮推力轴承上绕组线圈引力，F2为磁悬浮推力轴承下绕组线圈引力；μ0为真空磁导率，S0为磁极表面投影面积，N0为线圈匝数，α为力的作用角度，D为磁轴承安装总间隙,
Figure FDA0004002540170000022
Pset为风机额定压力，Tset为额定压力下测得的气动轴向力，M为叶轮间隙调整时转轴与磁轴承绕组的间隙变化值，I0为控制器偏置电流，计算出控制电流i，得到绕组的目标电流I0+i和I0-i。
5.根据权利要求4所述的一种磁悬浮风机工作效率优化方法，其特征在于，控制器将磁轴承绕组的电流与控制电流i的差值进行均分，按照固定的时间间隔对磁悬浮推力轴承的上、下绕组电流分级进行调整。
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